Des chercheurs de Tokyo Tech ont développé un réseau d'émetteurs-récepteurs sans fil révolutionnaire de 256 éléments pour la communication 5G, conçu pour relever des défis tels que le faible rapport signal/bruit et le blocage du signal en raison d'obstacles physiques. Ce réseau utilise des technologies avancées de formation de faisceaux et de conversion de puissance pour améliorer la qualité du signal et étendre la couverture du réseau, en particulier dans les environnements sans visibilité directe. En améliorant considérablement l'efficacité de la conversion de puissance et le rapport signal/bruit, ce réseau d'émetteurs-récepteurs promet d'étendre l'accessibilité et la fiabilité de la 5G, favorisant ainsi une communication sans fil plus omniprésente et plus efficace.
Les chercheurs ont développé un émetteur-récepteur relais innovant alimenté sans fil qui améliore la couverture du réseau 5G, même dans les zones où la connexion est obstruée.
Des scientifiques de Tokyo Tech ont conçu un réseau innovant d'émetteurs-récepteurs alimentés sans fil de 256 éléments pour les communications 5G sans visibilité directe. Cette conception innovante se caractérise par une transmission d'énergie sans fil efficace et une efficacité de conversion de puissance élevée, ce qui peut améliorer la couverture du réseau 5G même dans les zones où les liaisons sont bloquées. La flexibilité et la zone de couverture améliorées pourraient potentiellement rendre la communication à haut débit et à faible latence plus accessible.
La communication 5G à ondes millimétriques, qui utilise des signaux radio à extrêmement haute fréquence (24 à 100 GHz), est une technologie prometteuse pour la communication sans fil de nouvelle génération, présentant une vitesse élevée, une faible latence et une grande capacité de réseau. Cependant, les réseaux 5G actuels sont confrontés à deux défis majeurs. Le premier est le faible rapport signal/bruit (SNR). Un SNR élevé est crucial pour une bonne communication. Un autre défi est le blocage de la liaison, qui fait référence à la perturbation du signal entre l'émetteur et le récepteur en raison d'obstacles tels que des bâtiments.

La conception de l'émetteur-récepteur proposé permet une efficacité de conversion de puissance et un gain de conversion élevés, améliorant ainsi la couverture du réseau 5G même dans les zones où les liaisons sont bloquées. Crédit : Symposium international sur les micro-ondes IEEE MTT-S 2024
Solutions de formation de faisceaux et sans visibilité directe
La formation de faisceaux est une technique clé pour les communications longue distance utilisant des ondes millimétriques qui améliorent le rapport signal/bruit. Cette technique utilise un ensemble de capteurs pour focaliser les signaux radio en un faisceau étroit dans une direction spécifique, un peu comme la focalisation du faisceau d'une lampe de poche sur un seul point. Cependant, elle est limitée à la communication en visibilité directe, où les émetteurs et les récepteurs doivent être en ligne droite, et le signal reçu peut être dégradé en raison d'obstacles. De plus, le béton et les matériaux en verre modernes peuvent provoquer des pertes de propagation élevées. Il est donc urgent de disposer d'un système de relais sans visibilité directe (NLoS) pour étendre la couverture du réseau 5G, en particulier à l'intérieur.
Pour répondre à ces problèmes, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur associé Atsushi Shirane du Laboratoire de recherche interdisciplinaire future en sciences et technologies de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) a conçu un nouvel émetteur-récepteur relais alimenté sans fil pour la communication 5G à ondes millimétriques de 28 GHz (comme illustré dans la figure 1). Leur étude a été publiée dans les actes du Symposium international IEEE MTT-S sur les micro-ondes 2024.

La carte comprend des diodes à l'arséniure de gallium, des circuits intégrés de balun, des circuits intégrés de commutation DPDT et des circuits intégrés numériques. Ce circuit génère du courant continu à partir du signal WPT 24 GHz et convertit simultanément le signal RF 28 GHz en signal IF 4 GHz. Crédit : Symposium international sur les micro-ondes IEEE MTT-S 2024
Shirane explique la motivation de leur étude : « Auparavant, pour la communication NLoS, deux types de relais 5G ont été explorés : un type actif et un type alimenté par sans fil. Bien que le relais actif puisse maintenir un bon SNR même avec peu de réseaux de redresseurs, sa consommation d'énergie est élevée. Le type alimenté sans fil ne nécessite pas d'alimentation dédiée, mais nécessite de nombreux réseaux de redresseurs pour maintenir le SNR en raison du faible gain de conversion et utilise des diodes CMOS avec un rendement de conversion de puissance inférieur à dix pour cent. Notre conception répond à leurs problèmes tout en utilisant des circuits intégrés (CI) à semi-conducteurs disponibles dans le commerce.
Spécifications techniques et résultats des tests
L'émetteur-récepteur proposé se compose de 256 réseaux de redresseurs avec transfert de puissance sans fil (WPT) à 24 GHz. Ces réseaux sont constitués de circuits intégrés discrets, notamment de diodes à l'arséniure de gallium, et de baluns, qui font l'interface entre les lignes de signaux équilibrées et asymétriques (bal-un), les commutateurs DPDT et les circuits intégrés numériques (voir Figure 2). Notamment, l'émetteur-récepteur est capable de transmettre simultanément des données et de l'énergie, convertissant le signal WPT de 24 GHz en courant continu (DC) et facilitant simultanément la transmission et la réception bidirectionnelles de 28 GHz. Le signal 24 GHz est reçu individuellement sur chaque redresseur, tandis que le signal 28 GHz est transmis et reçu par formation de faisceau. Les deux signaux peuvent être reçus de la même direction ou de directions différentes et le signal 28 GHz peut être transmis soit avec rétroréflexion avec le signal pilote 24 GHz, soit dans n'importe quelle direction.
Les tests ont révélé que l'émetteur-récepteur proposé peut atteindre une efficacité de conversion de puissance de 54 % et un gain de conversion de -19 décibels, supérieur à celui des émetteurs-récepteurs classiques, tout en conservant le SNR sur de longues distances. De plus, il atteint une production d’électricité d’environ 56 milliwatts, qui peut être encore augmentée en augmentant le nombre de panneaux. Cela peut également améliorer la résolution des faisceaux d'émission et de réception. « L'émetteur-récepteur proposé peut contribuer au déploiement du réseau 5G à ondes millimétriques même dans les endroits où la liaison est bloquée, améliorant ainsi la flexibilité de l'installation et la zone de couverture », remarque Shirane à propos des avantages de leur appareil.
Ce nouvel émetteur-récepteur rendra les réseaux 5G plus courants, rendant ainsi la communication à haut débit et à faible latence accessible à tous !
Réunion : Symposium international sur les micro-ondes IEEE MTT-S 2024
L’étude a été financée par le ministère de l’Intérieur et des Communications, l’Institut national des technologies de l’information et des communications et l’Agence japonaise des sciences et technologies.